紫外線カットマイクロカプセルの作製

横浜国立大学大学院工学研究院

金井俊光

Protection reagents against ultraviolet lights based on the Bragg reflection at the optical stop band of colloidal photonic
crystals were examined. We found that the colloidal crystals composed of monodisperse polystyrene particles with theparticle diameter of 160 nm could reflect the lights below the wavelength of 400 nm. In addition, we examined a method for
preparation of microcapsules with the colloidal crystal shells by microfluidic techniques.

１．緒

系紫外線吸収剤が対象であり、高い紫外線吸収能力を有し、言かつ分解されにくい新しい物質開発が進められている。し太陽光に含まれる有害な紫外線から身を守るために、サかしながら特に UV-A を防御する安定で安全性の高い有ンスクリーン剤が開発され、使用されている。現在のサン機系紫外線吸収剤の開発は難しく、さらに仮に新物質を開スクリーン剤には、一般的にオクトクリレンに代表される発したとしても、最終的に厚生労働省の認可が下りるには有機系物質と、酸化チタン、酸化亜鉛などの無機系ナノ粒少なくとも十数年はかかるといわれており、そのハードル子が含まれており、これらの物質が太陽からの紫外線を主は高いのが現状である。に吸収することにより防御している。しかしながら有機系

そこで本研究では、これまでほとんど検討されていない

紫外線吸収剤は紫外線を吸収すると同時に分解する性質が反射による紫外線防御方法について検討し、紫外線吸収剤あり、時間とともに紫外線吸収能力は低下する。さらに有の含有量をできる限り低減させた安心、安全なサンスクリ機系吸収剤はアレルギーを引き起こすことがあり、乳幼児ーン剤の開発を行うことを目的とした。具体的には、従来や敏感肌には適さないことがある。実際、乳幼児向けに有行われているカプセル化技術を発展させ、カプセルのシェ機系吸収剤を含まない無機系のみのサンスクリーン剤もル部分に紫外線を反射する機能を持たせることを検討する。

市販されてはいるが、SPF（Sun Protection Factor）の値

カプセル表面で自然と起こる光散乱による弱い紫外線カッが小さく、また無機系ナノ粒子は皮膚の油分を吸収する性トの効果はよく知られているが、積極的に紫外線をカット質があるため、肌が乾燥しやすく、やはり乳幼児や敏感肌する機能をカプセルに付与させた報告例はない。本研究でには適さない場合がある。さらに最近、ナノ粒子（粒径 50はシェル材料として我々がこれまで研究を行っているコロ

nm 程度以下）については、人への有害影響を懸念させるイドフォトニック結晶 の光学ストップバンドで起こるブ研究報告が次々と発表されている。例えば、マウスを用いラッグ反射による強い反射を利用することを検討した。コた実験では脳細胞や肝細胞を損傷するなどの報告もなされロイドフォトニック結晶は可視光領域にストップバンドをており、ナノ粒子の使用には不安が残る。

持つように設計するのが一般的であるが、本研究ではより

1）

防御すべき紫外線には、波長域 280 ～ 320 nm の UV-B

小さな粒径のコロイド粒子を用いることにより、紫外光、と波長域 320 ～ 400 nm の UV-A がある。かつてはエネル

特に UV-A 光をカットできる結晶を作製する。これによギーの大きい UV-B の防御が主であったが、近年、UV-A

り紫外線により劣化しにくい安全性の高い紫外線防御材の防御の重要性が指摘されている。波長の長い UV-A はエ開発を行うことを試みた。

ネルギーは小さいものの肌の深部にまで到達でき、長時間２．実浴び続けると硬く深いしわやたるみができる光老化を誘発する。さらに深刻になると皮膚がんにまで至ることがわか験

2. 1. UV-A 領域（320 ～ 400 nm）に光学ストップバンドを持つコロイド結晶の設計・作製っている。これまでのサンスクリーン剤の開発は主に有機

一般的にこれまでのコロイドフォトニック結晶は、ディスプレイや光通信用デバイスへの応用を目指して、可視光や赤外光領域に光学ストップバンドを持つように設計・作
Preparation of ultraviolet lights protective
microcapsules
Toshimitsu Kanai
Faculty of Eng ineer ing, Yokoha ma
National University製されている。本研究では、UV-A 領域（320 ～ 400 nm）の紫外光をカットするため、UV-A 領域に光学ストップバンドを持つコロイド結晶を設計し、実際にコロイド結晶を作製した。コロイド結晶の粒子配列は、最密結晶面が界面− 30 −

紫外線カットマイクロカプセルの作製に対して平行に配列する場合が最もエネルギー的に安定であり、今回、最密結晶面に起因する光学ストップバンド波長の計算を行った。図 1 には、ポリスチレン微粒子からなるコロイド結晶について計算した最密結晶面に起因する光学ストップバンド波長の粒子直径依存性を示す。
この図より 320 ～ 400 nm に光学ストップバンドを持つためには、直径 140 ～ 170 nm 程度の粒子を用いる必要がある。そこで、本研究では直径 160 nm のポリスチレン微粒子（ThermoFisher Sci. 製）を用いてコロイド結晶を作製し、紫外線反射特性を評価した。

2. 2. 大きさ 10μm のマイクロカプセル形成用マイクロ流体デバイスの作製
我々はこれまでマイクロ流体デバイスを用いてコロイド結晶をシェルに持つ数百 mm 程度の単分散マイクロカプセ

図１ ポリスチレン粒子からなるコロイド結晶における光学ス
トップバンド波長の粒子直径依存性2）ルの作製に成功している 。本研究では流路の内径を小さくすることにより、大きさ 10 mm 程度の微小な単分散マイクロカプセルの作製を試みた。マイクロピペットプラーやマイクロフォージを用いて、ガラスキャピラリーの内径が 1 ～ 5 mm 程度になるようにテーパー加工し、キャピラ3）リーを組み合わせてデバイスを作製した 。

2. 3. 大きさ 10μm のコロイド結晶シェルマイクロカプセ
ルの作製
作製したダブルエマルション形成用マイクロ流体デバイ
スに、各相を流入させ、コロイド結晶をシェルに持つマイクロカプセルの作製を試みた。内側流路からコアとなるシリコーンオイルを流入させ、中間流路からシェルとなる

図２ 直径 160 nm のポリスチレン微粒子からなるコロイド結晶の垂直反射スペクトル

直径 160 nm のポリスチレン微粒子の水分散液を流入させデバイスに流入させた。水相‐油相界面を安定化させるた3. 2. 大きさ 10μm のマイクロカプセル形成用マイクロ流体デバイスの作製

め、シェル相と連続相には界面活性剤を添加した。3 液体

マイクロピペットプラーによりガラスキャピラリーを引の流量をシリンジポンプを用いて制御して流入させることき伸ばし、さらにマイクロフォージを用いて慎重に流路内で、シリコーンオイルコア‐コロイド分散液シェルからな径を調整した。試行錯誤の結果、3 mm の内径を持つ流路るマイクロカプセルを作製した。その後、コロイド分散液を作製できるようになった。図 3 にはこのキャピラリーを内の水分を蒸発させることでコロイド結晶化させ、コロイ用いたマイクロ流体デバイスによるドロップ形成過程の写ド結晶をシェルに持つマイクロカプセルの作製を試みた。

真を示す。分散相、連続相の流速条件を検討することによた。連続相としてシリコーンオイルを用い、外側流路からり最小で直径 5 mm 程度の単分散ドロップが作製できた。

３．結果と考察3. 1. UV-A 領域（320～400 nm）に光学ストップバンドを持つコロイド結晶の設計・作製

3. 3. 大きさ 10μm のコロイド結晶シェルマイクロカプセ
ルの作製

図 2 には、直径 160 nm のポリスチレン微粒子を用いてまずカプセルに内包する油滴の作製を試みた。上述のデ作製したコロイド結晶の垂直反射スペクトルを示す。約バイスを用いて内側流路からシリコーンオイルを、外側流370 nm に半値幅約 20 nm の反射ピークが現れ、計算通り路から界面活性剤（ 2 %、Tween20）を添加した超純水を流のコロイド結晶が得られることを確認した。

入させた。2 液体の流量を調整することにより、油滴の大きさを制御することができた。特に外側流路の流量を上げることで油滴サイズを小さくでき、最終的には図 4 に示す− 31 −

コスメトロジー研究報告 Vol.23, 2015

図４

マイクロ流体デバイスにより得られた単分散油滴の写真

図３ （a）デバイス内での単分散ドロップ形成過程の写真、（b）得られた単分散ドロップの写真

ように、直径 6 mm、CV 値 6.5% の単分散油滴を得ることができた。
次にシェル部分となるコロイド結晶の作製について検討した。まず直径 160 nm のポリスチレン微粒子の水分散液を超純水で希釈し、0.08 vol% とした。これをマイクロ流

図５ （a）コロイド粒子水分散液の液滴形成過程の写真、（b）乾燥後のコロイド結晶の写真体デバイスの内側流路から流入させ、外側流路から界面活性剤（2 %、DC-749）を添加したシリコーンオイルを流入させた。2 液体の流量を調整することにより、図 5（a）のようの界面活性剤濃度を増加させる必要がある。しかしそれにに直径約 100 mm の水滴が形成できた。その後、水分を蒸よりシェル相の安定性が悪くなり、有効な界面活性剤の種発させ乾燥することでコロイド結晶化が可能であった。そ類と濃度が決定できなかった。我々は以前、数百 mm 程度の結果、図５（b）に示すように直径 5 mm 程度のコロイド結の単分散マイクロカプセルの作製に成功しているが、今回晶が作製できた。の実験とは適切な界面活性剤濃度が異なっていると考えら上述の油滴とコロイド結晶の作製を 1 つのダブルエマルれ、最適な作製条件を見い出す必要がある。

ション形成用デバイス内で行うことで、油滴コア‐コロイ

以上のように、本研究では直径 160 nm のポリスチレンド結晶シェルからなる直径 10 mm 以下の単分散マイクロ微粒子からなるコロイド結晶により、UV-A 領域の紫外光カプセルの作製を試みた。内側流路からコアとなるシリコをカットできることを示した。また内径 3 mm の流路を持ーンオイルを、中間流路からシェルとなるコロイド水分散

つガラスキャピラリー型デバイスの作製に成功し、直径液を、外側流路からシリコーンオイルを流入させた。3 液

6 mm、CV 値 6.5% の単分散油滴を作製できることを示し体の流量を調整することでコア油滴がコロイド液滴に内包た。さらに希釈したコロイド分散液をデバイス内に流動さされたカプセルを形成できた。しかしながら、流路途中でせ、液滴形成後、乾燥によりコロイド結晶化できることをコア油滴がシェルから抜け出てしまい、油滴を内包した安示した。しかしながらコロイド結晶シェル内に油滴を安定定なマイクロカプセルの作製には至らなかった。コア油滴に内包することはできなかった。当初の目的であったコロを安定してカプセル内に閉じ込めるためには、シェル相内イド結晶をシェルに持つマイクロカプセルの作製には至ら− 32 −

紫外線カットマイクロカプセルの作製なかったが、界面活性剤の選択や濃度調整、またグリセリ以外の形状の紫外線カット粒子の開発を行いたいと考えてン添加による粘度増加により、油滴を安定化できる可能性いる。

がある。またカプセル形状以外にも球形や板状でも UV-A
カット材料としては機能すると考えられ、今後はこれらの（引用文献）

紫外線カット粒子の開発も行いたいと考えている。

１）Kanai, T., Sawada, T., Toyotama, A., Kitamura, K.:

４．総Air–Pulse–Drive Fabrication of Photonic Crystal Films

括of Colloids with High Spectral Quality, Adv. Funct.
Mater., 15, 25-29, 2005.

サンスクリーン剤は人体に有害な紫外線から身を守るものであるが、そのために人体に悪影響を与える可能性のあ２）Kanai, T., Lee, D., Shum, H. C., Shah, R. K., Weitz,

る物質を用いるのは、本末転倒である。本研究課題は、こD. A.: Gel-Immobilized Colloidal Crystal Shell

れまで開発されていない反射による紫外線防御方法を検討

with Enhanced Thermal Sensitivity at Photonic
Wavelengths, Adv. Mater., 22, 4998-5002, 2010.

した。カプセル化には課題が残ったが、コロイドフォトニ
ック結晶を用いて UV-A 光をカットできることは明らか

３）Kanai, T., Lee, D., Shum, H. C., Weitz, D. A.:になった。そのため、本結晶は UV-A カット材料としてFabrication of Tunable Spherical Colloidal Crystals

機能すると考えられ、今後は内包物質の安定化やカプセル

Immobilized in Soft Hydrogels, Small, 6, 807-810, 2010.

− 33 −